多孔BN纳米纤维/PVA无机-有机纳米复合凝胶的制备及其性能研究

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多孔氮化硼(BN)纳米纤维作为一种新型的一维纳米材料,具有低密度、大的比表面积、丰富的孔结构、优越的机械性能和强的化学稳定性,能够被用于水处理、储氢、药物载体等领域。具有高长径比的一维纳米结构有利于在复合材料基体中形成网络交联结构。本文将多孔氮化硼纳米纤维(BNNFs)与聚乙烯醇(PVA)复合制备出复合水凝胶及气凝胶,并对复合凝胶材料的性能进行了系列测试与研究。本论文研究的主要内容如下:(1)将不同比例的BNNFs加入到PVA水溶液中,通过循环冻融的方法制备出BNNFs/PVA复合水凝胶材料,对复合水凝胶的机械性能、热稳定性和溶胀行为进行研究。作为比较,将具有球状结构的氮化硼纳米球(BNNSs)作为填充物,制备了BNNSs/PVA复合水凝胶,并对水凝胶的各项性能进行了测试。对比研究表明,少量BNNFs的添加会对PVA水凝胶的机械性能产生重要影响,当BNNFs添加量为0.5 wt%时,复合水凝胶材料的压缩强度较纯的PVA水凝胶增加了252%。BNNFs/PVA复合水凝胶材料的拉伸性能也得到了提高。当BNNFs添加量为1 wt%时,水凝胶拉伸强度增加了87.8%。此外,随着BNNFs添加量的增加,水凝胶的热稳定性和溶胀性能逐渐增强。当BNNFs添加量为1 wt%时,水凝胶的溶胀率增加了56.3%。作为比较,BNNSs对于PVA水凝胶机械强度和溶胀率的增强效果较弱。BNNFs对PVA水凝胶的较好的改性效果可归因于BNNFs和PVA之间的强氢键作用以及纳米纤维所特有的高长径比。(2)将BNNFs与PVA以一定比例复合,通过冷冻干燥的方法制备出了一种新型的、具有低密度的(11-25 mg/cm3)以及横截面的微观结构呈蜂窝状的BNNFs/PVA复合气凝胶材料,并研究了复合气凝胶材料的吸附性能以及机械性能。研究结果表明随着BNNFs添加量的增加,复合材料气凝胶的比表面积逐渐增大,对CO2气体的吸附量也逐渐增加,吸附量从0.37 mmol/g增加到0.77 mmol/g。纳米纤维的加入有使复合气凝胶由亲水性变为疏水性的趋势。BNNFs/PVA复合气凝胶对有机物展现了很强的吸附能力。PVA在整个气凝胶材料中起着支撑的作用,可以使复合材料气凝胶在溶液中稳定的存在。当PVA含量增加时,复合气凝胶的机械性能逐渐增强。所合成的BNNFs/PVA复合气凝胶材料在油水分离领域有很大的应用前景。
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